Перспективы передачи мозговых сигналов.

Передача церебральных сигналов в будущем может стать альтернативой обычной связи. Буквально это означает, что передача церебральных сигналов будет проходить по прямой линии «мозг – коммутатор – мозг», таким образом минуя биологическое «цифро-аналоговое преобразование» сигнала в речь или жесты – это будет передача мыслей, своего рода технологическая телепатия. Начало уже положено исследователями из Вашингтонского Университета [Л. 12]. При помощи специального экспериментального комплекса (рис. 2.10) было установлено, какой сигнал в мозге отвечает за конкретное действие, и, при помощи этого, один человек, связанный с другим посредством компьютерного интерфейса, заставил другого человека выполнить простое движение лишь силой мысли.

 

 

Рис. 2.10. Схема эксперимента по созданию прямого соединения «мозг – мозг» через интернет.

Описание эксперимента: «В процессе игры с помощью энцефалографа сканировалась электрическая активность мозга Раджеша Рао (добровольца). В результате удалось выделить сигнал, который отвечал за определенное действие: ученым удалось точно установить, какая картинка электрической активности мозга приводит к нажатию клавиши пробела и выстрелу в компьютерной игре. Данный сигнал транслировался через интернет на транскраниальный стимулятор приемника, в результате чего в его мозге формировалась схожая картина электрической активности, скопированная с мозга передатчика в момент выстрела. Итогом всех этих процедур был желаемый результат: палец человека-приемника Андреа Стокко дернулся, нажимая клавишу пробела. Подопытный описал это, как непроизвольный тик – он не контролировал свой палец, тот двигался будто бы сам по себе. Палец Стокко нажал на клавишу выстрела в нужный момент, хотя при этом сам Стокко сидел спиной к монитору, где отображался процесс игры.»

Трудно переоценить возможности технологий будущего. Уже сейчас разрабатываются автономные устройства, позволяющие выполнять различные действия в виртуальной реальности. Одно из них - браслет MYO [Л. 13], носимый на предплечье и управляемый электрическими сигналами мышц (имеет восемь электромиографических сенсоров, способных распозновать множество различных жестов). Этот браслет показывает, какие возможности открываются, когда техника объединяется с биофизическими свойствами живого организма. Радиолиния, передающая сигналы мозга, позволит технологиям выйти на совершенно новый уровень.

РАСЧЁТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ОБРАБОТКИ ЦС

 

Расчёт усилителя

Усилитель является одним из самых важных элементов обработки мозговых сигналов в виду малых значений их напряжений (от 2 мкВ до 100 мкВ). Обычно в медицинском оборудовании для усиления биопотенциалов используют измерительные или инструментальные усилители на ОУ. Они могут представлять собой как цельную микросхему, например, усилители AD620, так и схему на 1-3 одинаковых ОУ, причём от количества ОУ зависит качество всего усилителя. Достоинства инструментального усилителя: очень малое смещение постоянного тока, малый дрейф, малый шум, очень высокий коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, очень высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, и очень высокие входные сопротивления. Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы, как кратковременно, так и долговременно [Л. 20]. Спроектируем инструментальный усилитель на трёх ОУ (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Инструментальный усилитель на трёх ОУ

Коэффициент усиления:

(2.1)

Для реализации усилителя в качестве основных элементов возьмём ОУ OP07AH [Л. 21], схема которого показана в приложении 1, технические характеристики – в приложении 2.

Рассчитаем элементы схемы.

Максимальное напряжение на входе усилителя составляет 100 мкВ, входной ток ОУ I_os равен 3.8 нА. Рассчитаем регулировочный резистор R_g:

R_g = U_in/I_os = 100*10^-6/3.8*10^-9 = 26.3 КОм           (2.2)

Зададим для первого каскада усилителя К_у = 1000, для второго К_у = 10.

К_у1 = 1+(2R₁/R_g) => R₁ = 1000*(R_g/2) = 13.15 МОм (2.3)

К_у2 = R₂/R₃ = 10. Примем R₂ = 1 кОм, R₃ = 10 кОм (2.4)

Построим усилитель в программе Multisim (рис. 12) и проверим сигнал на выходе.

Рис. 3.2. Реализация инструментального усилителя в программе Multisim.

Пусть на схеме напряжение источника ЭДС V2 (нижний) будет неизменным, а на источнике V1 по очереди зададим два его варианта – минимальное, но с другой частотой (6о Гц), и максимально возможное (100 мкВ / 13 Гц). Выходное напряжение для первого случая представлено на рис. 3.3, для второго – на рис. 3.4 соответственно.

Рис. 3.3. Напряжение на выходе усилителя при значении U1 = 2 мкВ / 60 Гц (синий цвет)

Рис. 3.4. Напряжение на выходе усилителя при значении U1 = 100 мкВ / 13 Гц (синий цвет)

Значения усиленных напряжений:

- 2 мкВ: U_max = 49.56 мВ, U_min = –49.56 мВ;

- 100 мкВ: U_max = 1.43 В, U_min = –1.38 В.

Расчёт ФНЧ

ФНЧ в данной схеме будет активным, т.е. с использованием активного элемента – операционного усилителя. Возьмём для фильтра ОУ uA741CD. Усилители данной серии чаще всего используются в фильтрах и измерительных приборах [Л. 22]. Схема ОУ – приложение 3, характеристики – прилодение 4.

Для расчёта фильтра воспользуемся инструментарием «Создатель фильтров» в программе Multisim. Поскольку максимальная частота сигналов мозга может достигать 100 Гц, зададим программе следующие параметры фильтра (рис. 3.5):

Рис. 3.5. Окно расчёта фильтра в Multisim

Спроектированный фильтр показан на рис. 3.6. Полученная АЧХ фильтра представлена на рис. 3.7. Максимальное ослабление сигнала в АЧХ составляет -154.8 дБ на частоте 7.4 кГц.

Рис. 3.6. Полученная схема ФНЧ

Рис.3.7. АЧХ ФНЧ

Ослабление сигнала на отметке 100 Гц составляет примерно -3.4 дБ.

Напряжения сигналов после прохождения через фильтр:

- 2 мкВ – Umax = 44.35 мВ, Umin = -44.94 мВ;

- 100 мкВ – Umax = 1.42 В, Umin = -1.37 В.

По АЧХ определим:

- полосу пропускания (по уровню -3 дБ) – 150 Гц

- крутизну спада – 12 дБ/окт

- коэффициент прямоугольности (по уровням -3 дБ и – 20 дБ) – 0.63

 

Расчёт характеристик схемы